Exploration de la durabilité du carbure de silicium dans des environnements difficiles

Le carbure de silicium est un composé résistant issu d'une réaction chimique à haute température entre le silicium et le carbone ; sa structure cristalline extrêmement durable le rend adapté à une utilisation dans des environnements difficiles.

Le carbure de silicium nécessite des contrôles de qualité rigoureux tout au long de son processus de fabrication afin de garantir sa longévité dans des environnements de travail difficiles. Nous allons examiner quels sont les facteurs qui influent sur sa longévité.

Résistance à la corrosion

Le SiC est un matériau extrêmement dur et dense, composé de différentes formes ou polytypes de structure cristalline de carbure de silicium, dans lesquels les atomes de carbone sont disposés selon une configuration tétraédrique pour former ses couches ou polytypes, ce qui donne naissance à des structures où les atomes de carbone sont liés par des liaisons tétraédriques entre eux, disposés en couches ou polytypes qui confèrent à ce matériau ses qualités uniques de résistance à la corrosion. Le carbure de silicium fritté sans pression (C/C-SiC) résiste à tous les acides (chlorhydrique et sulfurique), aux bases, aux solvants et aux environnements oxydants tels que l’acide nitrique, tout en conservant une résistance à la corrosion suffisante pour que des creusets solides en C/C-SiC soient fréquemment utilisés comme revêtement de fours.

La corrosion des matériaux à base de SiC peut s'avérer extrêmement complexe, car elle dépend de multiples facteurs. La résistance à la corrosion de ces matériaux dépend de leur épaisseur et de la profondeur de la couche d'oxyde qui se forme au cours des processus d'oxydation ; par ailleurs, les mécanismes chimiques et physiques à l'origine de la célèbre courbe parabolique de la vitesse d'oxydation ne sont pas encore entièrement compris.

Des essais de corrosion à long terme sont nécessaires pour évaluer l'effet des environnements corrosifs sur la résistance des matériaux. La corrosion à long terme peut aggraver les défauts de surface, ce qui réduit la résistance et la durabilité des matériaux au fil du temps.

Elkem a mené des analyses approfondies de la sensibilité à la corrosion sur quatre types d'assemblages de plaques en SiC, réalisés par soudage par diffusion métallique avec une couche intermédiaire de molybdène ou de titane, par frittage réactif et par frittage de nanopoudre de SiC. Tous les échantillons ont été soumis à des essais hydrothermiques de cinq semaines à température élevée, sans contamination par rayonnement, au cours de ces essais hydrothermiques de cinq semaines à température élevée.

Résistance à la dilatation thermique

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau synthétique extrêmement dur, dont la dureté sur l'échelle de Mohs se situe entre celle de l'alumine (9), avec une valeur moyenne de 9, et celle du diamant (10 en moyenne). Le SiC est utilisé comme abrasif et pour la fabrication de pièces résistantes à l'usure dans des applications mécaniques ; pour les revêtements réfractaires des fours industriels et des céramiques ; comme revêtement réfractaire à l'intérieur des réservoirs de carburant des avions ; comme revêtement réfractaire dans les fours industriels ; et dans les dispositifs électroniques à semi-conducteurs fonctionnant à haute température.

Le carbure de silicium est un matériau céramique thermomécanique exceptionnel, doté d'un faible coefficient de dilatation thermique, ce qui lui permet de conserver sa forme et ses dimensions lors de variations rapides de température et d'améliorer la fiabilité des produits utilisés dans des environnements extrêmes.

Le carbure de silicium présente des propriétés mécaniques exceptionnelles et offre une excellente conductivité thermique sur une large plage de températures de fonctionnement. Il est en outre très résistant à la corrosion et aux agressions chimiques, ce qui le rend adapté aux applications dans des environnements difficiles, notamment dans les secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale et de l'électronique.

Cet ouvrage présente la technologie des microsystèmes basée à la fois sur le carbure de silicium (SiC) massif et en couche mince, et retrace son essor en tant que plateforme essentielle pour les microsystèmes destinés à des environnements hostiles, grâce à la combinaison de la fabrication de dispositifs électroniques et de dispositifs MEMS mécaniques. Cet ouvrage examine également les difficultés inhérentes à la combinaison de divers procédés et matériaux pour obtenir des modules de capteurs fonctionnels ; il explore notamment de manière approfondie les problèmes de déséquilibre thermique entre les composants ainsi que la sensibilité du SiC aux conditions environnementales, tout en traitant en détail l'état de l'art tant de la technologie du SiC massif que de celle des couches minces de SiC.

Résistance à l'usure

Le carbure de tungstène (WC) est un alliage important et polyvalent utilisé dans de nombreuses applications. Il se caractérise par une dureté extrême, une conductivité élevée, une faible dilatation thermique et une bonne résistance à la corrosion. Le carbure de tungstène est obtenu en mélangeant de la poudre de tungstène pur à d’autres métaux tels que le carbone, le nickel ou le cobalt, selon un procédé appelé frittage ; une fois mis en forme par pressage et forgeage pour des usages spécifiques, il est le plus souvent utilisé dans la fabrication d’outils de coupe. La durabilité exceptionnelle du tungstène dépasse de loin celle des autres métaux utilisés pour les outils de coupe ; de plus, il est souvent utilisé par les unités militaires dans le cadre d’une tactique d’attaque appelée « bombardement cinétique », consistant à tirer des projectiles directement sur l’ennemi afin de percer ses blindages et de pénétrer ses défenses.

Le carbure de tungstène (WC) est largement utilisé dans l'ingénierie de précision en raison de sa capacité à résister à des vitesses et des pressions très élevées ; il présente en effet le module d'Young le plus élevé, la surface la plus dure, le coefficient de dilatation thermique le plus faible et la meilleure résistance à l'usure de tous les métaux. De plus, la grande ductilité du WC permet de le façonner en tiges ou de l'extruder sous forme de fil, comme c'est le cas dans les ampoules à incandescence.

Le carbure de tungstène est réputé pour sa fragilité et sa tendance à se fissurer ou à se briser sous l'effet de chocs violents, ce qui le rend plus vulnérable aux chocs que les métaux précieux tels que l'or et le platine. Il reste néanmoins largement utilisé dans les applications militaires où la résistance aux chocs est essentielle, comme au centre d'essais de cratérisation de la NCSU, où des disques tampons en carbure de tungstène sont utilisés pour absorber les impacts des projectiles.

Conductivité électrique

La combinaison unique de propriétés céramiques et semi-conductrices du carbure de silicium en fait un matériau extrêmement polyvalent, adapté à des applications industrielles et électroniques. Grâce à ces propriétés, les composants électroniques en carbure de silicium peuvent fonctionner même dans des environnements difficiles, caractérisés par des températures et des niveaux de tension élevés qui empêcheraient généralement d'autres composants électroniques de fonctionner correctement.

D'un point de vue chimique, le carbure de silicium est un matériau extrêmement stable. Il résiste à la plupart des acides (chlorhydrique, sulfurique et fluorhydrique), des sels et des alcalis, à l'exception de l'acide sulfurique concentré ; de plus, il ne réagit pas avec l'eau, ce qui en fait un matériau idéal pour les composants devant être exposés à des liquides pendant une longue durée.

Le carbure de silicium présente d'excellentes propriétés électriques grâce à sa structure atomique. Il se cristallise en structures à empilement serré composées de couches de carbone et de silicium liées par des liaisons covalentes. Ces couches peuvent s'organiser en différentes configurations appelées « polytypes » ; chaque polytype se distingue par sa propre séquence d'empilement, ce qui donne lieu à diverses structures cristallines présentant chacune des propriétés uniques.

Les multiples propriétés du carbure de silicium le placent à l'avant-garde de l'innovation technologique. Son utilisation dans des applications techniques extrêmes et hautement performantes, telles que les paliers de pompes, les vannes, les injecteurs de sablage et les matrices d'extrusion, ainsi que dans la fabrication de dispositifs semi-conducteurs fonctionnant dans des environnements extrêmes, peut entraîner des améliorations significatives dans de nombreux secteurs industriels.